Propriétés mécaniques de milieux cellulaires soumis aux pressions de turgescence

Les tissus cellulaires végétaux sont caractérisés par une architecture cellulaire spécifique qui permet la croissance cellulaire par déformation irréversible. Cette déformation est notamment permise à l'aide la pression de turgescence qui s'exprime comme la différence entre les potentiels hydriques interne et externe. Afin de comprendre le comportement mécanique d'une architecture cellulaire sous pression osmotique et lors d'une sollicitation mécanique, un modèle 2D est développé. La génération d'un tissu cellulaire est explorée par un couplage Voronoi / Monte Carlo dans lequel, la forme, la taille et l'orientation des cellules sont décrites. Un calcul éléments finis est défini en 2D dans lequel la structure est maillée à l'aide d'éléments linéaires sous le code ANSYS. Les conditions de sollicitations sont modifiées pour tenir compte d'une pression homogène sur les parois cellulaires qui varie ou non avec la taille des cellules. Les paramètres élastiques sont discutés et reliés aux caractéristiques microstructurales

Approches de génération de structures alvéolaires et élasticité de produits céréaliers

La texture des aliments dépend intimement de la relation entre leur structure à différentes échelles et leurs propriétés mécaniques. Dans le cas de mousses solides à base de céréales, base de notre alimentation, la structure alvéolaire est fonction des variables du procédé mis en œuvre (extrusion, moulage ,fermentation, cuisson) et de la composition du produit. Afin de comprendre l'influence spécifique de la structure, indépendamment de celle du matériau intrinsèque, sur les paramètres d'élasticité, différentes approches de génération de structures alvéolaires sont décrites. En particulier, deux groupes de méthodes sont testés : générations sélectives (technique RSA) et générations coopératives (Monte Carlo, Voronoi). Des calculs de paramètres d'élasticité sont reliés aux caractéristiques des structures virtuelles pour chaque approche de génération. Les résultats calculés du module d'élasticité et du coefficient de Poisson sont discutés sur la base de la théorie des solides cellulaires ouverts

Damage Kinetics at the Sub-micrometric Scale in Bast Fibers Using Finite Element Simulation and High-Resolution X-Ray Micro-Tomography

This study combines experimental testing and computation analysis to reveal the role of defects and sub-micrometric microstructure in tensile behavior of hemp bast fibers. In particular, these structural defects represent the footprint of the processes to which the fibers elements are subject along the whole transformation chain from the plant to the end use product. Tensile experiments performed on elementary fibers and bundles in a wide diameter range (40–200 μm) are simultaneously conducted with X-ray micro-tomography observation. 3D images of ultra-fine resolution (voxel size of 280 nm) are achieved at different deformation magnitudes up to the complete failure thanks to the use of synchrotron radiation (ESRF, Grenoble, France). A Finite element (FE) model is implemented based on the conversion of the tomograms into 3D meshes. High performance computing is used to simulate the tensile response of the hemp bast fibers. In particular, the effects of notching and sub-micrometric structure of the fibers are explored. Results show the presence of different types of diffuse damage kinetics, which are related to the variability in the fiber size, surface defects and the presence of the lumen space. The damage behavior is found to be sensitive to the type of stress criterion implemented in the FE computation. The predictive analysis demonstrates the relevance of using embedded microstructure simulations to reveal the extent of stress localization and predict the failure properties in bast fibers for innovative composite manufacturing for instance

Etude de l'endommagement dans les composites à base d'amidon renforcés par des fibres naturelles

Cette étude aborde numériquement et expérimentalement l'endommagement interfacial dans les composites biopolymères. Le matériau est un amidon amorphe thermomoulé avec des fibres de chanvre. L'orientation des fibres est ajustée pour permettre une direction de traction perpendiculaire à l'interface de la fibre. L'essai couplé à une camera révèle un endommagement interfacial conduisant à la rupture. Un modèle en éléments finis est développé sur la base d'un critère d'endommagement de type Coulomb. Ce modèle explique l'endommagement observé par des calculs de sensibilité et d'identification

On a Discrete Element Method to simulate the mechanical behavior of heterogeneous media

The contribution is dedicated to the mechanical simulation of heterogeneous media using a cohesive discrete element method. This latter uses an equivalent continuous model based on granular packings typically composed of disks in 2D and spheres in 3D. In the present work, granular packings are generated using the efficient Lubachevsky-Stillinger algorithm and the cohesion between particles is modeled using beam elements described by Euler-Bernoulli theory. In such an approach, the local parameters related to the geometry and the mechanical behavior of the beam element does not fit the macroscopic elastic coefficients. As a result, a calibration process is set up to relate local and macroscopic parameters. Please notice that only two local parameters, namely the microscopic Young's modulus and the dimensionless thickness of the beam suffice to characterize the elastic behavior of an isotropic medium. Similarly to a finite element method, the issue of discretization is of crucial importance since this directly affects the accuracy of results. That is why, we perform preliminary tests to estimate the suitable number of particles using the discrete element code MULTICOR3D developed in our laboratory. In the context of a homogeneous medium, it turns out that a minimum number of particles of 700,000 particles has to be considered to avoid discretization effects. In a first step, several tests are carried out on 2D and 3D models composed of a single inclusion or a more complex microstructure composed of several spherical or circular inclusions. Comparisons are done with several numerical approaches such as the finite element and the fast-Fourier based methods. These highlight the ability of the proposed DE approach to yield a suitable elastic response in the context of heterogeneous media. In a second step, interfacial debonding and a failure criterion based on the hydrostatic stress are considered. The idea is to better appreciate the suitability of the discrete element method to model cracks initiation and propagation in heterogeneous media. Again, results exhibit the consistency of this approach in comparison with the finite element one. These findings are encouraging and enable us to expect thermomechanical simulations in a next future

A neural computation to study the scaling capability of the undoped DG MOSFET

The DG MOSFET is one of the most promising candidates for further CMOS scaling beyond the year of 2010. It will be scaled down to various degrees upon a wide range of system/circuit requirements (such as high-performance, low standby power and low operating power). The key electrical parameter of the DG MOSFET is the subthreshold swing (S). In this paper, we present the applicability of the artificial neural network for the study of the scaling capability of the undoped DG MOSFET. The latter is based on the development of a semi-analytical model of the subthreshold swing (S) using the Finite Elements Method (FEM). Our results are discussed in order to draw some useful information about the ULSI technology

Estimation d'erreur pour le calcul de facteurs d'intensité de contraintes

Des estimateurs d'erreurs locaux dits en quantités d'intérêt permettent d'obtenir directement l'erreur de discrétisation commise sur une quantité ayant un sens physique, dans une zone définie. On construit un tel estimateur à partir de l'erreur sur la solution du problème primal, celle du problème dual et un estimateur d'erreur basé sur les résidus explicites. Une quantité d'intérêt est développée pour permettre d'estimer l'erreur sur les facteurs d'intensité de contraintes en modes mixtes. Une démarche originale est utilisée, basée sur l'extrapolation des sauts des déplacements entre les lèvres de la fissure. Des exemples numériques traités par Code_Aster permettent de valider cet estimateur

Discrete Element Method to simulate interface delamination and fracture of plasma-sprayed thermal barrier coating

This paper aims at investigating the potential and benefits of the Discrete Element Method (DEM) to predict failure mechanisms leading to interface delamination and fracture in air plasma sprayed Thermal Barrier Coating (TBC) systems. A hybrid lattice-particle approach is proposed to predict residual stress fields due to Coefficient of Thermal Expansion (CTE) mismatch and combined with a mixed-mode Cohesive Zone Model (CZM) to simulate interface delamination during the cooling-down phase. Numer ical calculations are first performed using a unit cell model with a perfectly sinusoidal interface profile, which comes from other contributions, in order to attest the suitability of the proposed DEM-based approach for that purpose. The case of a real microstruc ture is then discussed via an image processing based model which underlines the effect of porosity and surface roughness on the failure mechanism